Количественная оценка взрывоопасности технологических объектов

Давление смеси.

Горючие смеси различных веществ при повышении давления ведут себя неодинаково, так как имеют различные физико-химические свойства. Повышение давления до 3 - 4МПа практически не влияет на НКПРП. При этом ВКПРП углеводородов может существенно возрастать. Для газовых смесей заметное изменение области воспламенения наблюдается при пониженном давлении; при этом происходит её сокращение. При минимальном или критическом давлении (при данной температуре) достигается смыкание нижней и верхней границ области воспламенения. Ниже этого давления воспламенение смеси любого состава невозможно.

Температура смеси.

Повышение начальной температуры горючей смеси вызывает расширение концентрационных пределов распространения пламени, при этом НКПРП уменьшается, а ВКПРП растет. Это объясняется тем, что при подводе тепла молекулам сообщается дополнительная энергия активации, что способствует более быстрому протеканию цепной реакции.

Изменение концентрационных пределов воспламенения в зависимости от температуры описывается формулами:

где С_Н,_Т2 ; С_Н, _{Т1 ;} С_В,Т2; С_В,_Т1 - соответственно НКПРП и ВКПРП при температурах Т₁и Т₂ (температуры даны в К), % (об.).

Для количественного учета влияния начальной температуры на НКПРП и ВКПРП вряде случаев пользуются правилом: при повышении температуры на каждые 100 ⁰С - НКПРП снижается на 10% от первоначальной величины, ВКПРП увеличивается на 15%.

Негорючие добавки.

В тех случаях, когда по технологическим причинам процесс нужно вести при такой концентрации горючего газа с воздухом, которая находится в области распространения пламени, в смесь вводят флегматизаторы, в присутствии которых смесь становится негорючей. В качестве инертных флег-матизаторов применяют азот, редко аргон, диоксид углерода, а также продукты сгорания топлива.

Схематически область распространения пламени в смеси горючий газ - окислитель - флегматизатор показана на рис. 7.1.

Точками А и Вобозначены верхний и нижний концентрационные пределы распространения пламени в кислороде (содержание флегматизатора, например азота, равно нулю). При увеличении содержания азота в смеси значения пределов изменяются; нижний предел незначительно повышается, а верхний резко снижается, что объясняется тем, что при НКПРП всегда имеется большой избыток кислорода и введение небольшого количества инертного вещества не влияет на ход реакции. При ВКПРП имеет место недостаток в окислителе, а при введении инертного газа содержание окислителя еще больше снижается.

Концентрационные пределы рассматриваемого вещества в воздухе обозначены точками Си D. Дальнейшее увеличение содержания флегматизатора в смеси приводит к тому, что нижний и верхний пределы совпадают в точке Е, называемой точкой флегматизации. Все смеси горючее - окислитель - флегматизатор, находящиеся внутри треугольника АЕВ, являются горючими, т. е. пламя способно распространяться в них. В смесях вне этого «треугольника» пламя не распространяется.

Минимальное взрывоопасное содержание кислорода при флегматизации и ингибировании газовых смесей.

При, обогащении воздуха кислородом нижний концентрационный предел воспламенения практически не изменяется: значения С_н большинства горючих в воздухе и кислороде равны. Верхний же предел в воздухе, обогащенном кислородом, повышается. В первом приближении он пропорционален квадратному корню из избыточной концентрации кислорода:

где С_В - верхний предел воспламенения в среде, концентрация кислорода в которой равна Со₂ , % (об.); С_{В, О2} , С_в,в - верхний предел воспламенения горючего газа в кислороде и воздухе, % (об.).

Минимальным взрывоопасным содержанием кислорода - (МВСК) в газо- или пароздушной смеси называется такая концентрация кислорода ниже которой воспламенение и горение смеси становятся невозможными при любом содержании горючёго в этой смеси. Концентрация флегматизатора в смеси воздуха с флегматизатором, соответствующая минимальному взрывоопасному содержанию кислорода, называется минимальной флегматизирующей концентрацией.

Значения МВСК используют при расчетах взрывопожаробезодасных режимов работы технологического оборудования, выборе режимов работы систем «азотного дыхания», разработке систем и установок взрывоподавления и тушения пожаров. Величины МВСК иминимальной флегматизирующей концентрации Сфл„ того или иного флегматизатора связаны следующим соотношением:

где С _Н2О— концентрация паров воды в воздухе, % (об.).

Минимальное взрывоопасное содержание кислорода зависит от вида горючего и выбранного флегматизатора, от начальной температуры исходной смеси.

Для нахождения С_фл необходимо установить зависимость концентрационных пределов горючего газа или пара от содержания изучаемого разбавителя. Для этой цели экспериментально определяют величины пределов при различном содержании флегматизатора в смеси и полученные результаты наносят на график. По оси абсцисс откладывают концентрации флегматизатора в смеси воздуха с флегматизатором, а по оси ординат - концентрационные пределы исследуемого газа или пара. Концентрацию флегматизатора, при которой нижний и верхний пределы сливаются в одну точку, принимают за минимальную флегматизирующую концентрацию. Величину МВСК можно вычислить по формуле:

Мощность источника и минимальная энергия зажигания. Сизменением мощности источника зажигания может измениться область воспламенения. Особенно это характерно для диэлектрических разрядов, увеличение мощности искры приводит к расширению пределов воспламенения горючей смеси, причем наиболее сильно увеличивается ВКПРП. Однако расширение области воспламенения происходит не бесконечно: выше определенной мощности искры эта область не изменяется. Искры, которые не вызывают дальнейшего расширения области воспламенения, называются насыщенными.

Допустимая энергия искрового разряда не должна превышать 40 % минимальной энергии зажигания.

Минимальной энергией зажигания называетсянаименьшее значение энергии электрического разряда, способное воспламенить наиболее легковоспламеняющуюся смесь газа (пара или пыли) с воздухом.

Значение минимальной энергии зажигания используют для обеспечения пожаровзрывобезопасных условий переработки горючих веществ и электростатической искробезопасности технологических процессов.

Температурные пределы распространения пламени.

Температурные пределы распространения пламени (воспламенения)- такие температуры вещества, при которых его насыщенный пар образует в окислительной среде концентрации, равные соответственно нижнему (нижний температурный предел - НТГТРП) и верхнему (верхний температурный предел - ВТПРП) концентрационным пределам распространения пламени.

Значения температурных пределов распространения пламени применяют: при разработке мероприятий по обеспечению пожаровзрывобезопаснбсти объекта в соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.004-89 и ГОСТ 12.1.010-89; при расчете пожаровзрывобезопасных температурных режимов работы технологического оборудования; при оценке аварийных ситуаций, связанных с разливом горючих жидкостей; для расчета концентрационных пределов распространения пламени; их также необходимо включать в стандарты или технические условия на горючие жидкости.

Для обеспечения безопасности технологический процесс проводят при температуре ниже НТПРП на 10°С или выше ВТПРП нa 15 ⁰С.

На температурные пределы распространения пламени оказывает влияние начальное давление: уменьшение начального давления по сравнению с атмосферным приводит к снижению этого показателя, повышение - к увеличению.

Сущность метода определения температурных пределов заключается в термостатировании исследуемой жидкости при заданной температуре в закрытом реакционном сосуде, содержащем воздух, испытании на зажигание паровоздушной смеси и установлении факта наличия или отсутствия распространения пламени.

Изменяя температуру испытания, находят также ее значения (минимальное и максимальное), при которых насыщенный пар образует с воздухом смесь, способную воспламениться от источника зажигания и распространять пламя в объеме реакционного сосуда.

Количественная оценка взрывоопасности технологических объектов

В соответствии с действующими Общими правилами взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств (ПБ 09-170-97), для каждого технологического объекта (блока, установки), входящего в состав больших химико-технологических систем (производств, цехов, заводов), должна быть определена категория его взрывоопасности.

Категории взрывоопасности устанавливаются по двум оценочным показателям:

1) относительному энергетическому потенциалу взрывоопасности - Q_В

2) приведенной массе (к тротиловому эквиваленту) парогазовой среды – m.

В табл. 7.2 приведены оценочные показатели для различных категорий взрывоопасности технологических блоков (объектов, установок).

Таблица 7.2.

Категории взрывоопасности блоков в зависимости от относительного энергетического

потенциала взрывоопасности и приведенной массы парогазовой среды

Категория взрывоопасности	QВ	m,кг
I	>37	> 5000
II	27-37	2000 - 5000
III	< 27	<2000

Для определения Q_Ви mнеобходимо определить общий энергетический потенциал взрывоопасности технологического объекта (стадии, блока) - Е. Для определения Е(кДж) используют выражение:

Е = Е₁^* + Е₂^* + Е₁^** + Е₂^** + Е₃^** + Е₄^**()

где:

Е₁^*- сумма энергий адиабатического расширения и сгорания парогазовой фазы (ПГФ), находящейся непосредственно в оцениваемом блоке, кДж;

Е₂^* -энергия сгорания ПГФ, поступившей к разгерметизированному участку от смежных объектов (блоков), кДж;

Е₁^** -энергия сгорания ПГФ, образующейся за счет энергии перегрева жидкой фазы (ЖФ) рассматриваемого блока и поступившей от смежных объектов за определенное время, кДж;

Е₂^** -энергия сгорания ПГФ, образующейся из ЖФ за счет тепла экзотермических реакций, не прекратившихся при аварийной разгерметизации;

Е₃^** -энергия сгорания ПГФ, образовавшейся из ЖФ за счет теплопритока от внешних теплоносителей, кДж;

Е₄^**-энергия сгорания ПГФ, образующейся из пролитой на твердую поверхность (пол, поддон грунт и т. п.) ЖФ за счет теплоотдачи от окружающей среды, кДж.

По значению общего энергетического потенциала взрывоопасности Еможно рассчитать величины Q_Bи m:

где 4,6 • 10⁴ кДж/кг — удельная энергия сгорания пропана.

Для максимального снижения количества выбросов в окружающую среду горючих и взрывопожароопасных веществ при аварийной разгерметизации технологических систем предусматриваются следующие устройства: —-

- для блоков I категории взрывоопасности - установка автоматизированных быстродействующих запорных и (или) отсекающих устройств со временем срабатывания не более 12 с;

- для блоков II и III категорий взрывоопасности - установка запорных и (или) отсекающих устройств с дистанционным управлением и временем срабатывания не более 120 с;

- для блоков со значениями энергетического относительного потенциала взрывоопасности Q_B < 10 допускается установка запорных устройств с ручным приводом, причем время приведения их в действие должно быть не более 300 с.

Определив значение общего энергетического потенциала Е для установок, размещенных в помещении, можно определить избыточное давление взрыва ΔР(кПа) по формуле:

где:

Е- общий энергетический потенциал, кДж;

Z - коэффициент участия горючего во взрыве (принимается равным: 0,5 - для газов, 0,3 - для ЛВЖ и ГЖ);

Р₀- начальное давление, кПа (допускается принимать его равным 101 кПа);

V_CB- свободный объем помещения (допускается принимать условно равным 80% геометрического объема помещения);

ρ_в—плотность воздуха до взрыва при начальной температуре (равна 1,29 кг/м³);

С_р- теплоемкость воздуха [1,01 кДж/(кг*К)];

Т₀ -начальная температура воздуха (300 К);

K_Н- коэффициент, учитывающий негерметичность помещения и неадиабатичность процесса горения (допускается к_н= 3).